Syntese og karakterisering af supramolekylære Colloids

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Vilanova, N., De Feijter, I., Voets, I. K. Synthesis and Characterization of Supramolecular Colloids. J. Vis. Exp. (110), e53934, doi:10.3791/53934 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Mesostructured kolloide materialer finder udbredt anvendelse inden for videnskab og teknologi, som modelsystemer for grundlæggende undersøgelser af atomare og molekylære materialer 1,2, som fotoniske materialer 3,4, som lægemiddelafgivelsessystemer 5,6, som belægninger 7 og i litografi til overfladen mønster 8,9. Da lyofobe kolloider er metastabile materialer, der i sidste ende aggregerer irreversibelt på grund af de allestedsnærværende van der Waals interaktioner, deres manipulation i specifikke mål strukturer er notorisk vanskeligt. Talrige strategier er blevet udviklet til at styre kolloid selvsamling herunder brug af tilsætningsstoffer til at tune de elektrostatiske 10,11 eller udtynding interaktioner 12,13 eller eksterne triggere såsom magnetiske 14 eller elektriske 15 felter. En sofistikeret alternativ strategi for at opnå kontrol over struktur, dynamik og mekanik disse systemer er deres funktionalisering with molekyler interagerer gennem specifikke og retningsbestemte kræfter. Supramolekylær kemi tilbyder en omfattende værktøjskasse af små molekyler udviser stedspecifikke, retningsbestemt og stærke alligevel reversible interaktioner, som kan moduleres i styrke ved solvent polaritet, temperatur og lys 16. Siden deres egenskaber er blevet undersøgt grundigt i bulk og i opløsning, disse molekyler er attraktive kandidater til at strukturere bløde materialer i eksotiske faser på en forudsigelig måde. På trods af den klart potentiale for en sådan en integreret tilgang til orkestrere kolloid samling via supramolekylær kemi, har disse discipliner sjældent grænseflader til skræddersy egenskaber mesostructured kolloide materialer 17,18.

En solid platform af supramolekylære kolloider skal opfylde tre vigtigste krav. For det første bør kobling af den supramolekylære delen ske under milde-betingelser for at forhindre nedbrydning. For det andet, overflade kræfter separator;ons større end direkte kontakt bør være domineret af de tøjrede motiver, hvilket betyder, at ikke-coatede kolloider næsten udelukkende skal interagere via udelukket volumen interaktioner. Derfor bør de fysisk-kemiske egenskaber af kolloiderne skræddersys til at undertrykke andre interaktioner forbundet med kolloide systemer, såsom van der Waals eller elektrostatiske kræfter. For det tredje bør karakterisering give mulighed for en entydig tildeling af samlingen til tilstedeværelsen af ​​de supramolekylære dele. For at opfylde disse tre forudsætninger blev en robust to-trins syntese af supramolekylære kolloider udviklet (figur 1a). I et første skridt, hydrofobe NVOC-funktionaliserede silica partikler er forberedt til spredning i cyclohexan. Den NVOC-gruppen kan let spaltes, hvilket gav amin-funktionaliserede partikler. Den høje reaktivitet af aminer muliggør enkel post-funktionalisering med den ønskede supramolekylære del ved anvendelse af en bred vifte af milde reaktionsbetingelser. Heri vi PRepare supramolekylære kolloider ved funktionalisering af silicaperler med stearylalkohol og en benzen-1,3,5-tricarboxamide (BTA) derivat 20. Den stearylalkohol spiller flere vigtige roller: det gør kolloider organofile og den indfører kortrækkende steriske repulsioner som hjælper til at reducere uspecifik vekselvirkning mellem kolloider 21,22. van der Waals kræfter reduceres yderligere på grund af den tætte match mellem brydningsindekset af kolloider og 23 opløsningsmiddel. Light-og termoresponsiv kortrækkende attraktive overflade kræfter genereres ved inkorporering af o-nitrobenzyl beskyttet BTA 20. O nitrobenzyl del er en foto-spaltelige gruppe, der blokerer for dannelsen af hydrogenbindinger mellem tilstødende BTA, når de indgår på amider i discotics (figur 1b). Ved fotospaltning med UV-lys, BTA i opløsning er i stand til at genkende og interagere med identiske BTA molekyler gennem en 3 gange hydrogen bond array, med en bindingsstyrke, som er stærkt temperaturafhængig 17. Da van der Waals seværdigheder er minimale for stearyl- coatede silicapartikler i cyclohexan samt lys- og temperatur-uafhængig, skal den observerede stimuli-responsive kolloid samling være BTA-medieret.

Denne detaljerede video viser, hvordan at syntetisere og karakterisere supramolekylære kolloider og hvordan man studerer deres selv-samling ved UV-bestråling ved konfokal mikroskopi. Hertil kommer, at en simpel billedanalyse protokol skelne kolloide slåbrokker fra grupperede kolloider og at bestemme mængden af ​​kolloider pr klynger er rapporteret. Alsidigheden af ​​den syntetiske strategi tillader let variere partikelstørrelse, overfladedækning samt den indførte bindingsenhed, der åbner nye muligheder for udvikling af en stor familie af kolloide byggesten til mesostructured avancerede materialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Syntese af Core-shell Silica Partikler

Bemærk: Silicapartikler syntetiseres ifølge den følgende procedure, som er baseret på den Stöber metoden 24,25.

  1. Syntese af fluorescerende silica frø
    1. Opløs 105 mg (0,27 mmol) af fluorescein-isothiocyanat i 5 ml ethanol.
    2. Tilsættes 100 pi (3-aminopropyl) triethoxysilan (APTES, 0,43 mmol) til den foregående opløsning.
    3. Sonikeres opløsningen under 5 min og lad det reagere natten over under en argonatmosfære ved stuetemperatur under omrøring. DYE-funktionaliserede APTES kompleks anvendes uden oprensning.
    4. I en 1 liters rundbundet kolbe mix 2,5 ml af farvestoffet-funktionaliserede APTES med 25 ml ammoniak (25% i vand) og 250 ml ethanol.
    5. Der tilsættes 10 ml tetraethylorthosilicat (TEOS) under menisken i det foregående reaktionsblandingen med hjælp fra en glaspipette while omrøring med en magnetomrører.
    6. Ligeledes efter 5 timer, tilføje yderligere 1,75 ml TEOS, og blandingen omrøres natten over under en argonatmosfære.
    7. Hæld dispersionen i flere 45 ml rør.
    8. Centrifuger rørene (350 XG, 30 min), supernatanten fjernes, og der tilsættes 30 ml frisk ethanol i hvert rør. Sonikeres de nye dispersioner til 3 min og centrifugeres igen for at fjerne supernatanten. Gentag disse vaske trin 3 gange.
    9. Hold fluorescerende frø i ethanol i en koncentration på ca. 13,6 mg / ml og i mørke (undgå udsættelse for lys).
    10. Forbered ikke fluorescerende frø efter samme procedure udelade tilsætningen af ​​det fluorescerende farvestof.
      Bemærk: Efter denne metode fås frø fra ca. 100 nm i radius.
  2. Syntese af kerne-skal silicapartikler
    1. Fyld en 1 L rundbundet kolbe med 51 ml ethanol, 17 ml deioniseret vand, 3,4 ml ammoniak (25% i vand) og 4ml af frøene dispersion (54,4 mg fluorescerende frø cirka).
    2. Fyld en plastsprøjte med 5 ml TEOS og 10 ml ethanol.
    3. Fyld en anden plastsprøjte med 1,34 ml ammoniak (25% i vand), 3,4 ml deioniseret vand og 10,25 ml ethanol.
    4. Tilslut begge sprøjter til rundbundet kolbe med plastrør.
    5. Udstyre kolben med en argonstrøm og en magnetisk omrører. Argonindtaget skal være ud for udløbet fra den anden sprøjte for at undgå kontakt mellem ammoniak gasser fra TEOS dråber for at forhindre sekundær kernedannelse.
    6. Tilsæt indholdet af begge sprøjter samtidigt ved 1,7 ml / time under anvendelse af peristaltiske pumper under omrøring af blandingen. Sørg for at få gratis faldende dråber for at undgå at glide på væggene og dermed sekundær kernedannelse.
    7. Stop tilføjelse efter 7 timer til opnåelse af kerne-skal-partikler på ca. 300 nm i radius.
    8. Hæld indholdet af kolben i flere 45 ml rør.
    9. Centrifuger rørene (350 XG, 30 min), supernatanten fjernes, og der tilsættes 30 ml frisk ethanol i hvert rør. Sonikeres den nye dispersion i 3 minutter, og centrifuger igen for at fjerne supernatanten. Gentag disse vaske trin 3 gange.
    10. Hold kerneskalpartikler i ethanol og i mørke (undgå udsættelse for lys).
    11. Forbered ikke fluorescerende silicapartikler at følge samme fremgangsmåde, men under anvendelse af de ikke fluorescerende frø.

2. Funktionalisering af Silica Colloids

  1. Syntese af NVOC-funktionaliserede kolloider
    1. Dispergere 10 mg kerne-skal silicapartikler i 1 ml ethanol sammen med 12 mg (0,03 mmol) af NVOC-C11-OH-molekyle og 31 mg (0,11 mmol) af stearylalkohol i en 50 ml rundbundet kolbe (resulterende i en 20/80 NVOC-C11-OH / stearylalkohol molforhold).
    2. Sonikeres blandingen i 10 min for at sikre, at alle molekyler opløses og partiklerne er godt dispersed.
    3. Tilføj til blandingen en magnetomrører og inddampes ethanolen med en stadig strøm af argon ved stuetemperatur. Før der fortsættes, sikrer, at der ikke er nogen ethanol venstre, ellers kan reagere med silanolgrupperne af partiklerne. For at kontrollere, om ethanol er helt fordampet opmærksomme på temperaturen i bunden af ​​kolben. Hvis det føles koldt, er ethanol endnu ikke helt fordampet.
    4. Kolben opvarmes op til 180 ° C i 6 timer under kontinuerlig omrøring og under en konstant strøm af argon 22.
    5. Lad kolben afkøle til stuetemperatur.
    6. Tilsæt 3 ml CHCl3 ind i kolben og sonikeres i 5 minutter (eller indtil alt fast stof indhold er blevet opløst eller dispergeret).
    7. Centrifugeres spredning (2600 xg, 4 min), supernatanten fjernes, og tilføje frisk CHCl3. Sonikeres den nye dispersion i 3 minutter, og centrifuger igen for at fjerne supernatanten. Gentag disse vaske trin 6 gange. Tør partiklerne ved 70 ° C i vakuum natten over og gemme dem i en ekssikkator.
  2. Syntese af BTA-kolloider
    1. Dispergere 10 mg partikler funktionaliseret med en 20/80 molforhold af NVOC-C11-OH / stearylalkohol i 3 ml CHCl3.
    2. Bestråle dispersion i en UV-ovn (λ max = 354 nm) i 1 time til spaltning af NVOC-gruppe. Sikre, at afbeskyttelsen er homogent på overfladen af ​​partiklerne ved omrøring dispersionen forsigtigt med en magnetomrører under afbeskyttelse. Dette giver amin-funktionaliserede partikler (figur 1A).
    3. Opløs 9 mg af benzen-1,3,5-tricarboxamide derivat (BTA, 0,01 mmol), 8,7 pi N, N-diisopropylethylamin (DIPEA, 0,05 mmol) og 5,2 mg af (benzotriazol-1-yloxy) tripyrrolidinophosphonium-hexafluorphosphat ( PyBOP, 0,01 mmol) i 1 ml CHCI3.
    4. Føj løsningen på den amin- funktionaliserede partiklen dispersion og omrør natten over ved stuetemperatur og under en argonatmosfære.
    5. Centrifugeres spredning (2600 xg, 4 min), supernatanten fjernes, og der tilsættes 3 ​​ml frisk CHCl3. Sonikeres den nye dispersion i 3 minutter, og centrifuger igen for at fjerne supernatanten. Gentag disse vaske trin 6 gange.
    6. Tør partiklerne ved 70 ° C i vakuum i 48 timer og gemme dem i en ekssikkator.

3. Statisk lysspredning Målinger (SLS)

Bemærk: Brug ikke fluorescerende partikler, da det fluorescerende kerne absorberer lys af samme bølgelængde som den indfaldende laserlys af konventionelt lysspredning udstyr.

  1. Funktionalisere 10 mg af ikke-fluorescerende siliciumdioxidpartikler med stearylalkohol kun (ingen NVOC-C11-OH) efter den er beskrevet i afsnit 2.1 procedure.
  2. Forbered 500 pi af en dispersion af 0,033 mg / ml af ikke-funktionaliserede partikler i vand og enanden af ​​2 mg / ml af stearylalkohol-coatede partikler i cyclohexan.
  3. Sonikeres begge dispersioner i mindst 20 min for at sikre, at partiklerne er godt dispergeret.
  4. Mål den spredte intensitet begge dispersioner, opløsningsmidlerne og henvisningen opløsningsmiddel fra 30 ° til 120 ° i trin på 5 °.
  5. Plot intensiteten af prøven (I prøve) som en funktion af q
    (Ligning 1) q =n opløsningsmiddel sin / 2) / λ o
    med spredningsvinklen θ, brydningsindekset af opløsningsmidlet n opløsningsmidlet og laserens bølgelængde λ o.
  6. Monter data til følgende ligning ved hjælp af software (f.eks Origin)
    (Ligning 2) Jeg prøve = CP (qr)
    hvor C er en konstant, og formfaktor P (qr) er givet ved
    (Ligning 3) <img alt = "Ligning 3" src = "/ files / ftp_upload / 53.934 / 53934eq3.jpg" />

    hvor den gennemsnitlige radius af den sfæriske kolloider er R.
  7. Uddrag R fra passer for hver dispersion.
  8. Beregn Rayleigh Ratio (R θ), som er et absolut mål for intensiteten af det spredte lys, ifølge den følgende ligning for hver θ.
    (Ligning 4) ligning 4

    med intensiteten af prøven, opløsningsmidlet og henvisningen, jeg prøve, jeg opløsningsmiddel og jeg referere henholdsvis brydningsindekset af opløsningsmidlet og henvisningen n opløsningsmiddel og n reference, tilsvarende, og Rayleigh Ratio af referencen R reference. Her bruger toluen som reference, Således at n vand = 1,332, n toluen = 1,497, n cyclohexan = 1.426; R toluen = 2.74x10 -3 m -1 26.
  9. Beregner gennemsnittet brydningsindeks af kolloider (n kolloider) fra R θ og ligning 5.
    (Ligning 5) ligning 5

    med antallet af partikler pr volumen N, rumfanget af en partikel v partikel givet ved v partikel = 4/3 πR 3, og under antagelse af, at strukturen faktor S (q) ~ 1, som er grænsen for ikke-samvirkende partikler.

4. Kvantificering af antallet af aktive steder pr Particle

Bemærk: Brug små partikler af 13 nm i radius (med en større overflade-til-VOLUME forhold).

  1. Funktionalisere små kommercielt tilgængelige partikler med en 20/80 molforhold af NVOC-C11-OH / stearylalkohol følge fremgangsmåden beskrevet i afsnit 2.1 procedure.
  2. Dispergere 20 mg de små, funktionaliserede partikler i 1 ml CHCl3 og bestråle dispersion i en UV-ovn (λ max = 354 nm) i 1 time til spaltning af NVOC-gruppe. Omrør dispersionen forsigtigt med en magnetomrører bar, mens afbeskyttelse. På denne måde kolloiderne sedimenterer ikke og deres overflade forbliver eksponeret for UV-lys, og derfor sikre homogen afbeskyttelse.
  3. Spin ned de resulterende amin-funktionaliserede partikler (3400 xg, 10 min) og fjern supernatanten.
  4. Tør partiklerne ved 70 ° C i 2 timer.
  5. Opløs 0,50 mg succinimidyl 3- (2-pyridyldithio) propionat (SPDP, 0,0016 mmol) i 200 pi dimethylformamid (DMF).
  6. Tilsæt SPDP løsning på 20 mg af tørrede amin-funktionaliserede partikler og vortex densystemet i 30 minutter. Inden for denne gang, har alle tilgængelige primære aminer på kolloiderne reageret med SPDP.
  7. Vask partiklerne med 1 ml DMF i 6 gange (eller indtil der ikke frit SPDP detekteres i supernatanten ved UV-Vis-spektroskopi ved λ = 375 nm). I det sidste vasketrin forsøge at fjerne så meget supernatant som muligt.
  8. Opløs 0,53 mg dithiothreitol (DTT, 0,0034 mmol) i 50 pi DMF. Tilsæt DTT-opløsning til partiklerne og vortex dispersionen i 30 minutter. Inden for denne gang pyridin-2-thion-gruppen spaltes.
  9. Absorbans bestemmes fri pyridin-2-thion frigivet i supernatanten ved λ = 293 nm med en microvolume UV-Vis spektrofotometer.
  10. Der tegnes en kalibreringskurve for at bestemme ekstinktionskoefficienten ɛ (~ 12.1x10 3 M -1 cm-1) af pyridin-2-thion i DMF ved måling af absorbansen af en fortyndingsrække af forskellige kendte mængder af SPDP med et overskud af DTT .
  11. C P2T, som spaltes fra partiklerne ved hjælp af Lambert-Beer:
    (Ligning 6) Abs = C P2T ε l
    med den molære koncentration af pyridin-2-thion C P2T, ekstinktionskoefficienten ɛ og vejlængden l.
  12. Beregne antallet af aktive steder (aminer) pr partikel med den følgende ligning
    (Ligning 7) ligning 7
    med massen af en partikel M partikel der er M partikel = 4 / 3πR 3 ρ, med ρ = 1.295 g / cm3, den samlede vægtede masse af partikler M total (20 mg) og det samlede volumen V total (50 ul). Denne ligning antager, at alle tilgængeligeaminer reagerer med SPDP og DTT reducerer alle SPDP molekyler bundet til partiklerne.

5. Monitor Kolloid Forsamlingen konfokalmikroskopi

Bemærk: Brug kerne-skal silicapartikler (med et fluorescerende kerne og en ikke-fluorescerende shell).

  1. Forbered 400 pi af en dispersion af 0,1 vægt-% af BTA-funktionaliserede partikler i cyclohexan og sonikeres prøven i 20 min.
  2. Bestråle prøven hætteglasset i UV-ovn (λ max = 354 nm) for at fraspalte o-nitrobenzyl gruppe med BTA. Tage 25 pi prøver på forskellige tidspunkter af bestråling, for eksempel fra 0 op til 30 min, for at overvåge clustering processen.
  3. Placer de forskellige portioner på forskellige objektglas ved hjælp af en spacer og lukke kamrene med en dækning slip (kammer størrelse er 13 diameter mm × 0,12 mm højde). Efter lukning af kammeret, drej dækglasset på hovedet for at lade partiklerne sediment og adsorb på glasset, hvilket letter billeddannelse.
  4. Tage flere billeder af hver prøve med det konfokale mikroskop snarest muligt efter prøvefremstilling for hver bestrålingstiden.

6. Image Analysis

  1. Kvantificering af antallet af singletter med ImageJ
    Bemærk: Alle kommandoer, der bruges til at skrive manuskriptet er beskrevet i ImageJ manual:
    http://imagej.nih.gov/ij/docs/guide/user-guide.pdf
    1. Glat de konfokale billeder til at fjerne isolerede pixels fra kanterne og udfylde små huller kører "Smooth" funktion.
    2. I betragtning af, at kun de kerner er fluorescerende, spile de lyse områder indtil kanten af ​​partiklerne, der tilhører den samme klynge touch og partikler fusionere. Gør dette ved hjælp af "Dilate" filter. Med partikler med ca. 180 nm vægtykkelse og billeder med en opløsning på 0,02 um / pixel, to dilatation trin er nok.
    3. Konverter billedernetil et binært billede kører "Make binary" funktion.
    4. Indstil skalaen ved at køre af "" Set Scale ... ", afstand = 1 kendt = 0,02 pixel = 1 enhed = um" "for billeder taget med en opløsning på 0,02 um / pixel for eksempel.
    5. Påfør en tærskel størrelse til at skelne støj og ud-af-fokus partikler i-af-fokus partikler. For eksempel, med billeder taget med en opløsning på 0,02 um / pixel, alle områder er mindre end 0,2 pixels er udelukket. Gør "... Analyser partikler" kommando dette ved hjælp af "size = 0,2-Infinity".
    6. Opret en all.jpg billede og en all.txt fil med størrelsen af ​​alle lyse områder i billedet (klynger og singletter) ved hjælp af kommandoerne "" resultater ", _all.txt" "og" "JPEG", "alle" ".
    7. Antag, at alle lyse områder mellem 0,2 og 0,7 pixels i størrelse og med en cirkularitet (cirkelform = 4 π Area / Perimeter 2) mellem 0,7 og 1,0 erslåbrokker kører kommandoen "Analyze partikler ...", "cirkularitet = 0,7-1,0".
    8. Opret en singlets.jpg billede og en singlets.txt fil med oplysninger om alle lyse områder, der er slåbrokker ved hjælp af kommandoerne "" resultater ", _singlets.txt" "og" "JPEG", "slåbrokker" ".
  2. Behandler oplysningerne med Matlab
    1. Læs singlet .txt fil og beregne den gennemsnitlige størrelse af en singlet per billede (A singlet).
    2. Brug den gennemsnitlige størrelse af en singlet at beregne antallet af partikler pr klynge (A dublet = 2A singlet, en triplet = 3A singlet ...) og det samlede antal partikler i billedet fra den anden all.txt fil.
    3. Beregn den del af partikler i slåbrokker for hver eksponeringstid: f slåbrokker = antal undertrøjer / samlede partikler
    4. Beregn den del af dubletter, tripletter, etc.: F dubletter = 2 * antal dubletter / samlede partikler mv

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

I betragtning af, at de to-trins procedure, der anvendes til at syntetisere de supramolekylære kolloider (figur 1a), kobler BTA- derivater (figur 1b) i et andet trin ved stuetemperatur og i mild-reaktionsbetingelser, er dens stabilitet sikres.

figur 1
Figur 1. Scheme af syntesen af supramolekylære kolloider. A) Kobling af stearylalkohol og NVOC-beskyttet alkylkæde til silicapartiklerne kolloider, efterfulgt af amin afbeskyttelse ved bestråling med UV-lys i en UV-ovn og efterfølgende kobling af BTA molekylet. B) Struktur af benzen-1 , 3,5-tricarboxamide (BTA) derivat anvendes. klik her for at se en større version af dette tal.

silica = 1,391 og n silica @ stearylalkohol = 1,436 (figur 2). Dette viser klart, at overfladefunktionalisering har en indvirkning på brydningsindekset af kolloider. Den kemiske sammensætning af monolaget stearylalkohol overtrukne kolloider og BTA-kolloider er meget lig, eftersom den molære fraktion af BTA er højst 0,2. Derfor antager vi, at brydningsindekset af BTA-kolloider er tæt på n silica @ stearylalkohol = 1,436.

Figur 2
Figur 2. Statiske lysspredningsmålinger af silica kolloider. Intensiteten af spredt lys som funktion af detekteringen vinkel θ for A B) stearylalkohol-coatede partikler i cyclohexan. Stiplede linjer er de passer til de eksperimentelle datapunkter. Klik her for at se en større version af dette tal.

Brug af reaktionsskemaet vist i figur 3, små partikler funktionaliseret med en 20/80 NVOC-C11-OH / stearylalkohol molforhold resultat i 1 amin pr 46.4 nm2 på deres overflade. Dette antal kan igen korreleret til antallet af supramolekylære dele, der kan kobles, som vi henviser til som den multivalensen af ​​partiklerne.

Figur 3
Figur 3. Vurdering af mængden af aktive steder pr partikel. Procedure til bestemmelse af mængdenaf aminer per partikel: amin-funktionaliserede kolloider omsættes med SPDP. Herefter er DTT tilsat til systemet for at fraspalte pyridin-2-thion-gruppen, som kan påvises ved photospectrometry ved dets absorptionsmaksimum λ max = 293 nm i DMF. Klik her for et større version af denne figur.

I det konfokale billeder, de fleste af de supramolekylære kolloider af dispersionen før bestråling med UV-lys er singletter (Figur 4, top). Interessant, efter bestråling, er en udvikling fra singlet tilstand til den klynger tilstand observeret (figur 4 midten og nederst). Billedanalyse anvendes til at monitorere aggregeringen i en mere kvantitativ måde. Et kraftigt fald i antallet af slåbrokker fra 80% ned til 9% er observeret ved UV-bestråling inden for de første femminutter.

Figur 4
Procedure Figur 4. billedbehandling. Original konfokal mikroskopi billeder, binære billeder og arealet af singletter for prøver afbeskyttes for (øverst) 0 min, (midten) 15 sek og (nederst) 5 min. Skalaen søjle repræsenterer 10 um. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Når cyclohexan, med et brydningsindeks på 1,426, anvendes som et opløsningsmiddel til at dispergere BTA-kolloider, van der Waals interaktioner er meget svage, eftersom brydningsindekserne af kolloider og opløsningsmiddel er næsten de samme. Bemærk, at koncentrationen af ​​funktionaliserede kolloider anvendes til de SLS eksperimenter i cyclohexan er meget højere sammenlignet med de nøgne silica kolloider i vand. Dette er nødvendigt for at opnå en tilstrækkelig stærk spredning på grund af den lave kontrast som brydningsindekserne er næsten matches. Spormængder af vand i cyclohexan prøverne straks opdages, om end indirekte, af ikke-ubetydelig klyngedannelse grund kapillære kræfter. Derfor er det af største vigtighed at sikre, at kolloiderne er fri for vand under alle syntesetrin ved at tørre dem i vakuum i lange perioder som beskrevet i protokollen.

I betragtning af, at den metode, der anvendes til at kvantificere aminer analyserer mængden af ​​pyridin-2-Thione spaltes fra partiklerne, den omgår artefakter på grund af spredning af de partikler, der kunne blive stillet ved hjælp af andre teknikker, såsom NMR. Antages lige overflade tætheden for små og store partikler, det detekterede amin tæthed for de små partikler svarer til ca. 24.350 aminer pr store kolloider på 300 nm i radius. Interessant nok indførte metode tillader at regulere multivalensen af ​​de supramolekylære kolloider ved blot at ændre NVOC-C11-OH / stearylalkohol molforhold under den første funktionalisering trin. Sådan variation i multivalensen kan yderligere kvantificeres ved samme amin kvantificering procedure.

Den vellykkede dispersion af kolloiderne i singletter før lysaktivering, observeret ved konfokal mikroskopi, er på linje med meget svag van der Waals interaktioner og ubetydelig hydrogenbinding i cyclohexan før fotospaltning af den beskyttende o-nitrobenzyl gruppe. Derfor foto-induceret klyngedannelsekan let tilskrives de supramolekylære dele. Dette er afgørende, da vi sigter mod at dirigere klyngedannelse via supramolekylære kræfter. Spaltning af o-nitrobenzyl gruppen ved UV-lys faktisk giver mulighed for BTA forankret på forskellige kolloider til at interagere, dermed fremme kolloid selvsamling som bekræftet ved dannelse af klynger.

Sammenfattende har vi vist en enkel metode til at koble BTA-derivater på silicapartikler på en kontrolleret måde. Opførslen af ​​de resulterende supramolekylære kolloider med held styret af de attraktive interaktioner mellem overfladeaktive podede molekyler, nemlig intermolekylære brint-bonding interaktioner. Denne metode kan let udvides til at syntetisere en bred vifte af forskellige supramolekylære kolloider dekoreret med andre typer af supramolekylære dele. Derfor er den heri beskrevne protokol baner vejen for udviklingen af ​​en ny familie af byggeblokke til dannelse mesostructured kolloidmaterialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgements

Forfatterne erkender Holland Organisation for Videnskabelig forskning (NWO ECHO-STIP Grant 717.013.005, NWO VIDI Grant 723.014.006) til finansiel støtte.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
APTES Sigma-Aldrich
FTIC Sigma-Aldrich
TEOS Sigma-Aldrich
LUDOX AS-40 Sigma-Aldrich Silica particles of 13 nm in radius
MilliQ --- --- 18.2 MΩ·cm at 25 °C
Ethanol SolvaChrom ---
Ammonia (25% in water) Sigma-Aldrich ---
Chloroform SolvaChrom ---
Cyclohexane Sigma-Aldrich ---
Dimethylformamide (DMF) Sigma-Aldrich ---
Stearyl alcohol Sigma-Aldrich ---
N,N-Diisopropylethylamine (DIPEA) Sigma-Aldrich ---
Benzotriazol-1-yl-oxytripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate (PyBOP) Sigma-Aldrich ---
Succinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propionate (SPDP) Sigma-Aldrich ---
Dithiothreitol (DTT)  Sigma-Aldrich ---
NVOC-C11-OH Synthesized --- I. de Feijter, 2014 Responsive materials from adaptive supramolecular constructs, Doctoral thesis, Technical University of Eindhoven, The Netherlands
BTA Synthesized --- I. de Feijter, 2014 Responsive materials from adaptive supramolecular constructs, Doctoral thesis, Technical University of Eindhoven, The Netherlands
Centrifuge Thermo Scientific Heraeus Megafuge 1.0
Ultrasound bath VWR Ultrasonic cleaner
Peristaltic pumps Harvard Apparatus PHD Ultra Syringe Pump
UV-oven Luzchem LZC-a V UV reactor equipped with 8x8 UVA light bulbs (λmax=354 nm)
Stirrer-heating plate Heidolph MR-Hei Standard
 
Name Company Catalog Number Comments
Light Scattering ALV CGS-3 MD-4 compact goniometer system, equipped with a Multiple Tau digital real time correlator (ALV-7004) and a solid-state laser (λ=532 nm, 40 mW)
UV-Vis spectrophotometer Thermo Scientific NanoDrop 1000 Spectrophotometer
Confocal microscope Nikon Ti Eclipse with an argon laser with λexcitation=488 nm
Slide spacers Sigma-Aldrich Grace BioLabs Secure seal imaging spacer (1 well, diam. × thickness 13 mm × 0.12 mm)
Syringes BD Plastipak 20 ml syringe
Plastic tubing SCI BB31695-PE/5 Ethylene oxide gas sterilizable micro medical tubing
Pulsating vortex mixer VWR Electrical: 120 V, 50/60 Hz, 150 W Speed Range: 500–3,000 rpm

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wang, Y., et al. Colloids with valence and specific directional bonding. Nature. 491, (7422), 51-55 (2012).
  2. Klinkova, A., Therien-Aubin, H., Choueiri, R. M., Rubinstein, M., Kumacheva, E. Colloidal analogs of molecular chain stoppers. PNAS. 110, (47), 18775-18779 (2013).
  3. Galisteo-Lõpez, J. F., et al. Self-assembled photonic structures. Adv. Mater. 23, (1), 30-69 (2011).
  4. Kim, H., et al. Structural colour printing using a magnetically tunable and lithographically fixable photonic crystal. Nat. Photonics. 3, (9), 534-540 (2009).
  5. Dinsmore, A. D., et al. Colloidosomes: Selectively permeable capsules composed of colloidal particles. Science. 298, (5595), 1006-1009 (2002).
  6. Destribats, M., Rouvet, M., Gehin-Delval, C., Schmitt, C., Binks, B. P. Emulsions stabilised by whey protein microgel particles: Towards food-grade Pickering emulsions. Soft Matter. 10, (36), 6941-6954 (2014).
  7. Prevo, B. G., Hon, E. W., Velev, O. D. Assembly and characterization of colloid-based antireflective coatings on multicrystalline silicon solar cells. J. Mater. Chem. 17, (8), 791-799 (2007).
  8. Kitaev, V., Ozin, G. A. Self-assembled surface patterns of binary colloidal crystals. Adv. Mater. 15, (1), 75-78 (2003).
  9. Plettl, A., et al. Non-Close-Packed crystals from self-assembled polystyrene spheres by isotropic plasma etching: adding flexibility to colloid lithography. Adv. Funct. Mater. 19, (20), 3279-3284 (2009).
  10. Yethiraj, A., Van Blaaderen, A. A colloidal model system with an interaction tunable from hard sphere to soft and dipolar. Nature. 421, (6922), 513-517 (2003).
  11. Spruijt, E., et al. Reversible assembly of oppositely charged hairy colloids in water. Soft Matter. 7, (18), 8281-8290 (2011).
  12. Kraft, D. J., et al. Surface roughness directed self-assembly of patchy particles into colloidal micelles. PNAS. 109, (27), 10787-10792 (2012).
  13. Rossi, L., et al. Cubic crystals from cubic colloids. Soft Matter. 7, (9), 4139-4142 (2011).
  14. Erb, R. M., Son, H. S., Samanta, B., Rotello, V. M., Yellen, B. B. Magnetic assembly of colloidal superstructures with multipole symmetry. Nature. 457, (7232), 999-1002 (2009).
  15. Vutukuri, H. R., et al. Colloidal analogues of charged and uncharged polymer chains with tunable stiffness. Angew. Chem. Int. Edit. 51, (45), 11249-11253 (2012).
  16. De Greef, T. F. A., Meijer, E. W. Materials science: Supramolecular polymers. Nature. 453, (7192), 171-173 (2008).
  17. De Feijter, I., Albertazzi, L., Palmans, A. R. A., Voets, I. K. Stimuli-responsive colloidal assembly driven by surface-grafted supramolecular moieties. Langmuir. 31, (1), 57-64 (2015).
  18. Celiz, A. D., Lee, T. C., Scherman, O. A. Polymer-mediated dispersion of cold nanoparticles: using supramolecular moieties on the periphery. Adv. Mater. 21, (38-39), 3937-3940 (2009).
  19. Cantekin, S., De Greef, T. F. A., Palmans, A. R. A. Benzene-1,3,5-tricarboxamide: A versatile ordering moiety for supramolecular chemistry. Chem. Soc. Rev. 41, (18), 6125-6137 (2012).
  20. Mes, T., Van Der Weegen, R., Palmans, A. R. A., Meijer, E. W. Single-chain polymeric nanoparticles by stepwise folding. Angew. Chem. Int. Edit. 50, (22), 5085-5089 (2011).
  21. van Blaaderen, A., Vrij, A. Synthesis and characterization of monodisperse colloidal organo-silica spheres. J. Colloid Interf. Sci. 156, (1), 1-18 (1993).
  22. Van Helden, A. K., Jansen, J. W., Vrij, A. Preparation and characterization of spherical monodisperse silica dispersions in nonaqueous solvents. J. Colloid Interf. Sci. 81, (2), 354-368 (1981).
  23. Israelachvili, J. Intermolecular and Surface Forces. Van der Waals forces between particles and surfaces. 3rd, Elsevier. 253-289 (2011).
  24. van Blaaderen, A., Vrij, A. Synthesis and characterization of colloidal dispersions of fluorescent, monodisperse silica spheres. Langmuir. 8, (12), 2921-2931 (1992).
  25. Giesche, H. Synthesis of monodispersed silica powders II. Controlled growth reaction and continuous production process. J. Eur. Ceram. Soc. 14, (3), 205-214 (1994).
  26. Wu, H. Correlations between the Rayleigh ratio and the wavelength for toluene and benzene. Chem. Phys. 367, (1), 44-47 (2010).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics